王新剛,劉 凱,連寶琴,王家鼎,邱海軍,胡 勝

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,陜西 西安 710069;2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127)

我國約有三分之一的滑坡災(zāi)害發(fā)生在黃土地區(qū)[1],隨著國家“一帶一路”倡儀的提出和國家黃河戰(zhàn)略的出臺,黃土地區(qū)滑坡災(zāi)害的防治問題變得越來越重要。黃土-泥巖滑坡是黃土高原分布最為廣泛、發(fā)生最為頻繁的滑坡類型之一[2-6],在陜西延安、寶雞、銅川、藍(lán)田和甘肅天水、禮縣、通渭及青海、內(nèi)蒙古等地區(qū)廣泛分布[7-9],造成的災(zāi)害損失十分嚴(yán)重。黃土高原著名的灑勒山[10]、黃茨[11-12]、臥龍寺[13]、白鹿塬[14-15]、驪山滑坡[16]等大型乃至巨型滑坡均屬于此類滑坡[13，17],有關(guān)此類滑坡的研究也是我國工程地質(zhì)界的研究熱點(diǎn)問題。

黃土-泥巖滑坡主要指黃土沿下伏泥巖滑動的黃土滑坡,此類滑坡一般發(fā)育所處的地形平緩且滑動距離短[8],后期各種地質(zhì)作用和人為活動使滑坡滑動裂縫被掩蓋隱藏,導(dǎo)致此類滑坡的形態(tài)和特征不甚明顯,有一定的隱蔽性和特殊性,難以判識易被忽視。但是，由于黃土區(qū)建設(shè)用地緊張,黃土-泥巖型滑坡體往往被作為居民地和建設(shè)用地,而此類滑坡的穩(wěn)定性差,在降雨條件下復(fù)活性很強(qiáng),從而造成嚴(yán)重的隱患和災(zāi)害。因此,在黃土-泥巖型滑坡區(qū)域以及周邊進(jìn)行工程建設(shè)時,考慮其不同誘發(fā)因素及形成機(jī)理變得尤為重要,它決定著滑坡周邊建筑設(shè)施設(shè)計方案的選擇和長期安全。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于黃土-泥巖滑坡的研究較為豐富[2，5，8，18-30],但仍有許多問題等待著進(jìn)一步研究。本文分析了黃土-泥巖滑坡的誘發(fā)因素及形成機(jī)理的研究新進(jìn)展,對前人的研究成果進(jìn)行總結(jié),并提出了今后研究的可能發(fā)展方向。

1 黃土-泥巖滑坡特征與研究方法現(xiàn)狀

關(guān)于黃土-泥巖滑坡(見圖1所示)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量開拓性的試驗研究和理論研究工作,取得了豐碩的研究成果。歸納起來主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 “黃土-泥巖”型滑坡特征方面

黃潤秋[10，31]、殷躍平[32]、吳樹仁[33]等系統(tǒng)的研究了大型黃土滑坡在地震、降雨、工程擾動下的失穩(wěn)機(jī)制,研究表明大型黃土滑坡易沿塬邊(黑方臺、涇陽等)、大型河流溝谷(渭河中上游、涇河上游、甘肅清水河、巴謝河等)成群發(fā)育,多受軟弱基層(紅黏土、泥巖風(fēng)化層)控制[13]。而“黃土-泥巖”型滑坡特點(diǎn)就是:滑坡發(fā)生在上覆黃土下伏泥巖的斜坡地段,滑體主要由第四系黃土和第三系、白堊系泥質(zhì)巖等組成的滑坡,規(guī)模一般為大、中型滑坡[34],并具有緩動低速的特征。吳瑋江等[8]對黃土-泥巖滑坡的特征進(jìn)行了闡述,如圖2所示。劉偉[35]經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查與室內(nèi)試驗分析,發(fā)現(xiàn)黃土-泥巖接觸面滑坡變形呈低速、緩動典型特征,此類滑坡中的新型滑坡復(fù)活性強(qiáng),每次復(fù)活中產(chǎn)生的位移相對較小,變形過程中坡體后緣和坡腳處的位移相對較大,這與該類滑坡坡腳處剪出口位置滲水以及良好的臨空條件密切相關(guān)。李媛等[36]通過研究孟家山黃土-泥巖接觸面滑坡發(fā)現(xiàn),該類滑坡的變形特征在宏觀上主要表現(xiàn)為后緣拉張裂縫呈弧形不斷發(fā)育,在臨滑階段之前拉張裂縫擴(kuò)展速率極小,臨滑階段之后拉張裂縫擴(kuò)展速率變大。黃土-泥巖滑坡的破壞模式大多為坡肩先受到侵蝕產(chǎn)生了微裂隙,裂隙不斷的發(fā)展、貫通發(fā)育成大的裂縫,這時斜坡局部會出現(xiàn)滑動破壞,久而久之滑動面貫通從而斜坡發(fā)生整體滑動破壞。

圖1 典型的黃土-泥巖滑坡(延安丁家溝滑坡)Fig.1 Typical loess-mudstone landslide (Dingjiagou landslide in Yan′an city)

圖2 黃土-泥巖滑坡特征Fig.2 Characteristics of loess-mudstone landslide

1.2 滑帶土強(qiáng)度試驗方面

黃土-泥巖接觸面滑坡所特有的上部黃土、下部泥巖型“雙層異質(zhì)”斜坡結(jié)構(gòu)[8，37],使得黃土與泥巖之間的接觸面發(fā)育著一定范圍的軟弱帶[28，38],這種軟弱帶容易形成滑坡的滑帶,控制著滑坡的滑動[39]。國內(nèi)外學(xué)者們對此類滑坡滑帶土進(jìn)行了大量的試驗研究,如:劉偉[35]、高東源[40]等進(jìn)行了直剪試驗;Kimura[22]、諶文武等[2]進(jìn)行了三軸試驗研究;穆鵬[41]、車福東[42]等進(jìn)行了動三軸試驗研究;封凱強(qiáng)[43]、楊晨[44]進(jìn)行了環(huán)剪試驗,這些主要的試驗方法和結(jié)論見表1所示?；瑤猎诖蠹羟形灰茥l件下的殘余強(qiáng)度對于進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性評價、開展滑坡工程治理具有重要的指導(dǎo)作用,相對于反復(fù)直剪試驗和三軸試驗,具有大剪切位移條件的環(huán)剪試驗更適合獲取滑帶土殘余強(qiáng)度參數(shù)[45]。

表1 滑帶土強(qiáng)度試驗研究主要結(jié)論Tab.1 The main conclusions of the strength test of the sliding zone soil

1.3 黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面

滑坡長期實地的監(jiān)測資料表明,多數(shù)滑坡具有蠕變性質(zhì),滑帶土的蠕變變形不斷積累到一定程度時,在外界因素的觸發(fā)下,最終會導(dǎo)致坡體的大面積滑動[15，48-50]。王家鼎等[51]對黑方臺焦家崖頭滑坡第三系泥巖之上黃土的蠕動變形現(xiàn)象進(jìn)行了研究,提出了黃土滑坡飽和蠕動液化的定義; Sasaki[52]通過對滑坡的蠕變特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)滑坡的蠕變破壞主要是在雨季中滑帶土或軟弱夾層的蠕變變形開始,并最終引起滑坡的失穩(wěn)破壞。龍建輝等[53]對黃土滑坡滑帶土的蠕變特性進(jìn)行研究,并討論了滑帶土蠕變特性與邊坡失穩(wěn)時間預(yù)報模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。許強(qiáng)等[54]對具有蠕變特點(diǎn)的滑坡進(jìn)行試驗研究,揭示了滑坡的變形破壞行為與內(nèi)在機(jī)理。李濱[55]、辛鵬等[56]對寶雞、黑方臺地區(qū)的大型深層黃土滑坡(這類滑坡具有典型的黃土-泥巖結(jié)構(gòu)性)進(jìn)行了研究,提出了蠕變誘發(fā)深層黃土滑坡滑動的觀點(diǎn),這些研究總結(jié)了黃土-泥巖接觸面滑坡的特征及滑坡蠕變現(xiàn)象,具有重要的理論和現(xiàn)實意義。黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面研究的主要結(jié)論如表2所示。

表2 黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面主要結(jié)論

1.4 室內(nèi)物理模型試驗方面

斜坡的物理模型試驗?zāi)軌蚩陀^地反映該類滑坡的成因機(jī)理。將野外所取的土樣或相似材料經(jīng)過處理在室內(nèi)制成模型,將一定精度的傳感器置于模型各部位,模擬各種條件下(斜坡形態(tài)、振動、降雨)邊坡變形的過程,再結(jié)合傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)即可分析滑坡的形成機(jī)理。劉傳成等[9]進(jìn)行了內(nèi)蒙古黃土泥巖滑坡的室內(nèi)模型試驗,在降雨條件下黃土?xí)l(fā)生濕陷,雨水也會在黃土與泥巖的交接處匯集形成塑流軟弱帶,最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。張澤林等[57]研究了黃河階地演變過程對黃土-泥巖滑坡活動的控制效應(yīng);齊笛[58]對延安地區(qū)黃土-泥巖滑坡滑帶土進(jìn)行了直接剪切強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)變化特征的探討;Li等[59]對黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了物理模型試驗,研究了降雨強(qiáng)度和持續(xù)時間以及上覆黃土地層的厚度對此類滑坡啟動的影響。朱建東等[60]設(shè)計開展了黃土-泥巖接觸面滑坡的兩種雨型模型試驗,對比分析兩種降雨條件下雨水入滲規(guī)律及變形破壞模式。物理模型的振動試驗是一種有效的模擬方式,黃土-泥巖滑坡振動臺試驗結(jié)合數(shù)值模擬表明陡傾順層斷裂帶黃土-泥巖滑坡加速度動力響應(yīng)具有趨表效應(yīng),即越靠近地表放大效應(yīng)越明顯[61]。

1.5 數(shù)值模擬方面研究

在滑坡發(fā)生變形的過程中一些變形特征往往位于坡體內(nèi)部而難以被觀察,故國內(nèi)外許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來研究滑坡的運(yùn)動過程和形成機(jī)理。數(shù)值模擬具有可靠、成本低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn),但也有一定局限性,比如有的數(shù)值模擬軟件建模復(fù)雜、計算效率低導(dǎo)致可行性降低。王念秦[62]利用離散單元數(shù)值模擬了黃土滑坡的運(yùn)動過程;張澤林[47]在離心機(jī)振動臺物理模擬試驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用數(shù)值模擬分析方法,分析了黃土梁峁邊坡的地震動響應(yīng);雷超[63]利用FLAC3D數(shù)值仿真計算分析了天水市黃土泥巖滑坡滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變特征及滑坡形成機(jī)理；周琪等[64]采用采用Massflow數(shù)值模擬軟件對黑方臺一滑坡進(jìn)行模擬,分析了滑坡啟動后不同時刻的堆積厚度和運(yùn)動速度；王璋等[65]通過FLAC3D軟件建立了泥巖上覆黃土斜坡模型,得出了在地震作用下,斜坡的變形主要發(fā)生在加載后的5～10s,黃土-泥巖滑坡水平位移最大的位置在滑坡后緣較陡處,中部和坡腳處的位移都相對較小。

1.6 滑坡監(jiān)測預(yù)警方面

滑坡監(jiān)測預(yù)警一直是滑坡災(zāi)害研究中的重要問題,其中監(jiān)測是手段,預(yù)警是目的[66-67]。獲取高精度、高可靠性的滑坡變形數(shù)據(jù)是進(jìn)行滑坡預(yù)警的重要手段,開展滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是進(jìn)行滑坡災(zāi)害研究與防治的重要基礎(chǔ)工作[68]。

鐵道科學(xué)院西北分院于1995年1月30日對黃茨大型滑坡的劇滑時間做出了準(zhǔn)確的預(yù)報,這是我國第一例依據(jù)位移動態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確做出的滑坡臨滑預(yù)報。InSAR技術(shù)可以對潛在的黃土滑坡開展了多時相編目、形變監(jiān)測以及失穩(wěn)模式研究,識別的黃土滑坡能夠成功捕捉滑坡加速變形的階段,具有較高的可靠性與準(zhǔn)確性[69]。近些年來北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功,滑坡位移監(jiān)測的精度有了進(jìn)一步的提高，形成了一套實用性較強(qiáng)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)[70-71]。

2 黃土-泥巖滑坡的影響因素研究

滑坡的發(fā)生往往是多種因素的復(fù)合,其中降水和人類活動是最積極的誘發(fā)因素[72]。黃土滑坡與降雨的關(guān)系極為密切,據(jù)報道僅2013年暴雨期間，甘肅天水、環(huán)縣、定西等地區(qū)以及陜西榆林、延安、寶雞等地區(qū)均誘發(fā)了多處黃土滑坡[73-74],降雨因素實質(zhì)是滑帶土受水作用后的軟化過程,Zhang等[37]、Piccinini等[75]、Xu等[24，76]、李萍等[77]、Zhou等[78]、谷天峰等[79]、Gance等[80]、王念秦等[81]、Wu等[82]、王新剛等[48，83-84]在這方面進(jìn)行了有效的嘗試;鄧龍勝等[85]、王蘭民等[86]對地震和降雨耦合作用下黃土邊坡進(jìn)行了研究,提出其失穩(wěn)破壞過程可劃分為:彈性動變形階段、殘余變形快速增加階段、液化滑移階段、蠕滑階段4個階段。韓帥等[87]通過研究天水地區(qū)黃土-泥巖滑坡發(fā)現(xiàn),水分對于該類滑坡的影響主要體現(xiàn)在降低了接觸面的抗滑力、增加了黃土的自重、產(chǎn)生了孔隙水壓力及降低了有效應(yīng)力幾個方面。

黃土-泥巖滑坡因為其孕災(zāi)土體的特殊性,影響黃土-泥巖滑坡穩(wěn)定性的外在因素包括反復(fù)降雨、地表水、地下水、季節(jié)性凍融、地震以及人類工程活動等[17，86，88],其中最積極的誘發(fā)因素是:受到水的長期損傷劣化作用(經(jīng)過雨水浸潤黃土與泥巖二者之間接觸面幾乎長期處于過濕飽和軟塑狀態(tài),且水增加了坡體的自重),以及人類活動(開挖卸載)的促滑作用。多數(shù)滑坡在上述兩種典型劣化因素的作用下,滑帶土的抗剪強(qiáng)度持續(xù)被削弱,其蠕變特性將發(fā)生一系列值得探索的顯著變化,滑帶土不斷產(chǎn)生蠕變變形,將產(chǎn)生滑動破壞。

Wen等[5]通過現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)物理模擬的方法,對黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了綜合研究，表明此類滑坡的變形特征主要受斜坡地形、黃土和風(fēng)化泥巖的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等的制約。吳瑋江等[8]指出地下水作用是黃土-泥巖接觸面滑坡的重要引發(fā)因素,受斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件的控制,黃土-泥巖滑坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂型或塑流-拉裂型。Peng等[89]對天水市劉家堡的黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了地質(zhì)特征研究,指出其演化進(jìn)程是由斷層斷裂帶控制的。Zhuang等[74]研究指出水遇到相對不透水層,如古土壤、第三紀(jì)紅黏土或基巖,會逐步積累造成其上方土壤軟化誘發(fā)滑坡。黃土-泥巖滑坡的影響因素總結(jié)如圖3所示。

圖3 黃土-泥巖滑坡的影響因素Fig.3 Influencing factors of loess-mudstone landslide

3 黃土-泥巖滑坡機(jī)理研究

對于黃土-泥巖滑坡的機(jī)理,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,并且取得了豐碩的成果。如:Wen等[5]通過現(xiàn)場監(jiān)測和實驗室物理建模方法研究了黃土-紅層泥巖接觸面滑坡的坡體變形過程。張澤林[90]利用野外調(diào)查、遙感解譯、動三軸試驗、電鏡掃描SEM、離心振動臺試驗以及數(shù)值模擬等方法,從微細(xì)觀角度分析了黃土、泥巖的動力學(xué)特性及損傷效應(yīng),并以此為基礎(chǔ)反演了大型黃土-泥巖滑坡在地震動過程中的啟動機(jī)制、運(yùn)動過程及成災(zāi)模式。孫萍等[91]通過野外地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、室內(nèi)力學(xué)試驗以及FLAC3D數(shù)值計算的方法對地震作用下甘肅天水地區(qū)黃土-泥巖接觸面滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)此類滑坡主滑面(帶)的形成方式為剪切破壞,后壁為典型的拉裂破壞,滑坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂型。韓帥等[87]研究了黃土-泥巖滑坡在強(qiáng)降雨作用下的動態(tài)變形演化過程,揭示該類斜坡的破壞機(jī)理和破壞模式為:坡肩侵蝕→微裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、貫通→斜坡局部滑動破壞→斜坡整體滑動破壞。Mu等[92]根據(jù)彈塑性力學(xué)數(shù)值模型,揭示了黃土-泥巖滑坡的觸發(fā)機(jī)制,然后結(jié)合極限平衡法和蒙特卡羅法對潛在滑坡的活化概率進(jìn)行了評價,結(jié)果表明,由于水巖相互作用使得黃土-泥巖接觸帶的剪切強(qiáng)度對含水量非常敏感,這是此類滑坡發(fā)生的主要原因。

4 存在問題及展望

綜上所述,關(guān)于黃土-泥巖滑坡促發(fā)因素及形成機(jī)理的研究較為豐富,但仍存在以下幾個問題亟待解決或進(jìn)一步深入開展研究:

1)黃土-泥巖滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素研究不全面,黃土-泥巖滑坡誘發(fā)因素多種多樣,包括黃土和泥巖的地質(zhì)構(gòu)造情況、地形地貌影響、水的影響、人類工程活動影響?？紤]到黃土-泥巖滑坡的復(fù)雜性,應(yīng)綜合考慮多種因素的影響,從而對主控因素和次要因素有全面的把握。

2)針對黃土-泥巖滑坡的特殊性,黃土-泥巖接觸面滑坡的底部泥巖是相對隔水層,黃土與泥巖二者之間接觸面幾乎長期處于過濕飽和軟塑狀態(tài);黃土與泥巖接觸面表現(xiàn)出即不同于土體、又不同于巖體的復(fù)雜性質(zhì)。因此，我們要考慮黃土與泥巖兩種“異質(zhì)土體”的接觸面滑動力學(xué)作用,對于滑帶土凍融、干濕循環(huán)等劣化因素也要考慮到。

3)針對黃土-泥巖接觸面滑坡滑帶土,需要同時聯(lián)系滑帶土相應(yīng)因素作用下的應(yīng)力-應(yīng)變-時間曲線以及滑帶飽和黃土與泥巖界面之間的剪切蠕變特性規(guī)律,來探索降雨等復(fù)雜因素作用下滑帶土的長期強(qiáng)度,進(jìn)而建立一種描述此類滑坡滑帶土復(fù)雜影響因素的蠕變本構(gòu)模型。

4)研究誘發(fā)因素及形成機(jī)理的目的是預(yù)防滑坡的發(fā)生。根據(jù)黃土-泥巖滑坡的發(fā)育機(jī)理及特征,基于Web-GIS地質(zhì)災(zāi)害實時預(yù)警預(yù)報研究。根據(jù)區(qū)域?qū)崟r的人為活動、降雨信息等,對滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報,針對性地提出防治性措施,探索新技術(shù)新方法。

隨著社會的不斷發(fā)展,人類對于空間的需求越來越大,更多的黃土-泥巖滑坡及其所帶來的問題亟待人類去治理解決,這是目前與今后一段時期黃土高原地區(qū)滑坡災(zāi)害防治與預(yù)警預(yù)報所亟需解決的科學(xué)難題。因此，我們要深入研究其誘發(fā)因素及形成機(jī)理,加深理論認(rèn)識,提出更多生態(tài)防控的創(chuàng)新思路,預(yù)測其長期穩(wěn)定性,解決更多相關(guān)的實際問題，以減輕黃土-泥巖滑坡對人民群眾的危害。